DE1178155B - Geradliniger Teilchenbeschleuniger mit einem Wellenleiter von geometrisch periodischem Aufbau - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOSh

Deutsche Kl.: 21g-36

Nummer: 1178 155

Aktenzeichen: C 26561 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 23. März 1962

Auslegetag: 17. September 1964

Die auf Grund von Wechselwirkung mit einem Wanderfeld arbeitenden geradlinigen Beschleuniger besitzen einen Wellenleiter, welcher aus einem geometrisch periodischen Aufbau, im allgemeinen aus einem Hohlzylinder, besteht, der in vorbestimmten Abständen voneinander angeordnete Querblenden enthält. Diese sind an ihrem Umfang mit dem Zylinder fest verbunden und weisen in ihrer Mitte eine Bohrung zur Durchführung des Strahles der beschleunigten Teilchen und zur Kopplung der zwischen den aufeinanderfolgenden Blenden vorhandenen Hohlräume auf.

Dieser Aufbau kann ebenso wie jeder periodische Aufbau Wellen unter verschiedenen Modi übertragen, von denen jeder seinen eigenen Wellenbereich besitzt. Der für die Beschleunigung von Teilchen gewählte Modus ist derjenige, der sich beim Ausbreiten durch die untereinander durch Bohrungen mit fortschreitend abnehmendem Durchmesser oder durch Stufen gekoppelten Hohlräume stetig von dem Modus TM₀₁₀ eines zwischen zwei Blenden ohne Kopplungsbohrungen vorhandenen zylindrischen Hohlraumes ableitet. Die anderen möglichen Modi sind die parasitären Modi, welche unter bestimmten Umständen den Betrieb des normalen Modus durch Entnahme von Energie beeinträchtigen können. Diese Störung äußert sich im allgemeinen in erhöhten Strahlströmen und insbesondere in der Tatsache, daß der Impuls des auf den am Ende des Beschleunigers angeordneten Auffänger auftreffenden Strahles Verzerrungen besitzt, welche entweder in einer Zeitverkürzung bezüglich des Anfangsimpulses oder in einer je nach dem Fall veränderlichen Verzerrung der Impulsspitze, und ziwar nach Lage, Höhe oder Breite, bestehen.

Die Erfindung hat einen periodischen Beschleunigerleitungsaufbau zum Ziel, durch den diese Nachteile vermieden werden.

Untersuchungen haben ergeben, daß die Energieentnahme auf dem normalen Modus zugunsten der parasitären Modi über die Harmonischen des Strahlstromes erfolgt. Es ist tatsächlich bekannt, daß dieser Strom reich an Harmonischen der Frequenz der verwendeten Welle ist. Wenn also der Leiter oder Teile des Leiters die Ausbreitung wenigstens eines höheren Modus gestatten, dessen Band die Frequenz einer Harmonischen gegebener Ordnung enthält, induziert der Strahl in dem Leiter durch die betreffende Harmonische eine Welle, deren Struktur dem erwähnten Modus entspricht und deren Energie, welche auf Kosten der kinetischen Energie des Strahles in diese Welle übergegangen ist, sich in den Wandungen des Geradliniger Teilchenbeschleuniger mit

einem Wellenleiter von geometrisch periodischem Aufbau

Anmelder:

CSF Compagnie-Generale de Telegraphie

sans FiI, Paris

Vertreter:

Dr. W. Müller-Bore und Dipl.-Ing. H. Gralfs,

Patentanwälte, Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Als Erfinder benannt:

Guy Azam,

Hubert Leboutet, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 24. März 1961 (856 698)

Leiters verteilt. Daraus folgt eine Erniedrigung des Wirkungsgrades des Beschleunigers sowie eine Verschlechterung der Betriebseigenschaften und — insbesondere angesichts des Wunsches, die obenerwähnten Verzerrungen zu vermeiden — eine Verringerung des beschleunigten Stromes.

Es wurde weiter festgestellt, daß die erwähnte Energieentnahme überwiegend über die 2. Harmonische des Strahlstromes (Harmonische mit der Frequenz 2/, wobei die Grundfrequenz der sich ausbreitenden Welle/ ist) und zugunsten des Ausbreitungsmodus TM₂₁₀ erfolgt.

Die Erfindung sieht Mittel vor, welche die vollständige oder teilweise Koinzidenz zwischen dem Wellenbereich des Modus TM₂₁₀ und dem Band der 2. Harmonischen der in dem Wellenbereich des normalen für die Wechselwirkung im Hinblick auf die Strahlbeschleunigung verwendeten Modus enthaltenen Frequenzen auf dem Ausbreitungsweg verhindern.

Es wurde festgestellt, daß die in diesem Sinne gegenüber dem Modus TM₂₁₀ getroffenen Maßnahmen auch gegenüber den anderen möglichen Modi wirksam sind, d.h., daß auch die Energieentnahme zugunsten dieser Modi gleichzeitig mit der Verhinderung der Ausbreitung des Modus TM₂₁₀ in dem

Band der 2. Harmonischen des Bandes des normalen Modus verhindert oder beträchtlich geschwächt wird. Die Mittel bestehen bei einem geradlinigen Teil-

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chenbeschleuniger der eingangs geschilderten Art erfindungsgemäß darin, daß sich die Bohrungsgröße wenigstens entlang eines Teiles des Wellenleiters wellenförmig zwischen einem oberhalb der Schwelle der Ausbreitung des Modus TM₂₁₀ in dem Leiter liegenden Maximums und einem Minimum ändert, bei dem die Ausbreitung dieses Modus unterbrochen ist. Die Wellungen sind periodisch oder nichtperiodisch und erstrecken sich wenigstens über

sehen der Frequenzen des Wellenbereiches des normalen Modus sich mit dem Wellenbereich des Modus TM₂₁₀ zu überlagern, so daß die erwähnten uner

wünschten Auswirkungen beim Überschreiten einer 5 bestimmten mit der Frequenz der gewählten Welle veränderlichen Durchmesserschwelle aufzutreten beginnen. Bei einer gewählten Frequenz J₁ ist die Schwelle z. B. durch den Durchmesser d_x gegeben, welcher dem Punkt B der Ordinate Z₁ auf der Kurve 3 eine Länge des Leiters, bei der auf Grund einer Di- io entspricht. Die Schwelle kann also für jeden gegebemensionierung gemäß dem Stand der Technik der nen Aufbau und für jede Frequenz der gewählten Durchmesser eine bestimmte, nur von der verwende- Welle experimentell bestimmt werden,
ten Frequenz abhängige Schwelle überschreitet, die In der Fig. 2 ist im Schnitt ein Teilstück eines

dem Beginn der Überlagerung des Bandes des Modus dem Stand der Technik entsprechenden Leiters dar-TM₂₁₀ und des Bandes der 2. Harmonischen des 15 gestellt, welcher für bestimmte gewünschte Eigen-Wellenbereiches des normalen Modus entspricht. Es schäften berechnet ist. Diese Ausführung besteht aus wurde festgestellt, daß diese teilweise oder vollstän- einem durch eine bestimmte Anzahl von Hohlräumen dige Überlagerung nur in den Teilen des Leiters er- gebildeten Teilstück; die Durchmesser der Koppfolgt, wo der Durchmesser der Kopplungsbohrung lungsbohrungen bewegen sich zwischen einem Maxidie erwähnte Schwelle überschreitet. Die Dirnen- 20 malwert d_max am Eingang und einem minimalen sionierung eines Teilstückes des Beschleunigers ge- Wert d_min am Ausgang. Die Änderung kann z. B. in maß dem Stand der Technik auf Grund der ge- drei Schritten erfolgen, d. h. der Leiter umfaßt den wünschten Leistungen bei gegebener Nutzfrequenz Abschnitt I mit den Hohlräumen 5 und den Bohrunführt zu einem Eingangsdurchmesser, welcher größer gen mit dem Durchmesser d_max, den Abschnitt III als die erwähnte Schwelle ist, und zu einem Aus- 25 mit den Hohlräumen 6 und den Bohrungen mit einem gangsdurchmesser, welcher unterhalb dieser Schwelle Zwischendurchmesser und den Abschnitt V mit den liegt. Die Durchmesseränderungen der Kopplungs- Hohlräumen 7 und den Bohrungen mit dem Durchbohrer in dem Leiter gemäß der Erfindung sind vor- messer d_min. Diese Abschnitte sind durch die Abzugsweise fortschreitend, um unerwünschte Re- schnitten bzw. IV verbunden, in denen sich der flexionen der Welle zu vermeiden. Die Phasen- 3° Kopplungs-Bohrungs-Durchmesser fortschreitend ängeschwindigkeit, welche lokal auf die Elektronen- dert. Die Innendurchmesser der Hohlräume sind so

gewählt, daß das zweckmäßige Änderungsgesetz der Phasengeschwindigkeit der sich durch jeden Hohlraum des Leiters ausbreitenden Hochfrequenzwelle aufrechterhalten bleibt. Die Untersuchung des Ausbreitungsmodus in dem Leiter hat ergeben, daß die in Zusammenhang mit der F i g. 1 erwähnte kritische Schwelle d₁ geringer als d_max, aber größer als d_mln ist, d.h. daß die erwähnten unerwünschten Auswirkungen in dem ersten Teil L der Leitung auftreten können, bis zu der Stelle, wo der Durchmesser der Kopplungsbohrung geringer als d₁ wird.

Gemäß der Erfindung wird nun wie folgt vorgegangen: Nachdem der Leiter für die gewünschten der Abszisse die Bohrungsdurchmesser d der Quer- 45 Eigenschaften berechnet wurde und nachdem insbeblenden und auf der Ordinate zwei Einteilungen auf- sondere die Anzahl der zur Herstellung des bekanngetragen sind, von denen die linke der Frequenz / in ten Aufbaues nach der F i g. 2 notwendigen Hohlbeliebigem Maßstab entspricht und die rechte den räume bestimmt wurde, wird der Aufbau nach der auf die Hälfte verkleinerten Maßstab wie die linke Fig. 3 verwirklicht, d.h. die nach dem Ausgang des hat, d.h. der Frequenz 2/ in gleichem Maßstab ent- 50 Wellenleiters hin abnehmenden Bohrungsdurchmesspricht. In diesem Diagramm ist einmal die Verande- ser nach der F i g. 2 werden durch zwischen den rung des Wellenbereiches des gewünschten, von dem Werten d_max und d_min sich wellenförmig ändernde Modus TM₀₁₀ abgeleiteten Modus dargestellt; die Bohrungsdurchmesser entlang des gleichen Teil-Frequenzen dieses Modus werden auf der linken Stückes ersetzt. Da der Leiter im allgemeinen durch Skala abgelesen. Der Wellenbereich liegt zwischen 55 den Zusammenbau einzelner Hohlräume gebildet den Kurven 1 und 2. Andererseits ist die Änderung wird, genügt es, den Leiter nach der F i g. 2 auseindes Wellenbereiches des Modus TM₂₁₀ dargestellt. anderzunehmen und die Hohlräume in der Weise Die Frequenzen dieses Modus werden auf der rech- wieder zusammenzusetzen, daß eine bestimmte Anten Skala abgelesen. Der Wellenbereich dieses Modus zahl von Hohlräumen 7 z.B. periodisch zwischen liegt zwischen den Kurven 3 und 4. Alle diese Kur- 60 eine bestimmte Anzahl von Hohlräumen 5 geschaltet ven wurden mit einer besonderen Vorrichtung experi- wird. Die Zwischenhohlräume der Abschnitt II, III

und IV werden verwendet, um die aufeinanderfolgenden Durchmesser unter Vermeidung eines zu abrupten Überganges aneinander anzuschließen. Der Leiter wird somit aus einer Anzahl von Abschnitten Γ bis V zusammengesetzt, von denen jeder eine geringere Länge als L hat und Hohlräume mit Bohrungen

geschwindigkeit entlang des Leiters eingestellt sein muß, wird auf den gewünschten Wert zurückgeführt, in dem in bekannter Weise eine oder mehrere Abmessungen des Hohlraumes beeinflußt werden.

Die Erfindung wird beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt F i g. 1 einige als Beispiel angegebene Kurven,

Fi g. 2 den Axialschnitt eines dem Stand der Technik entsprechenden Leiters und

F i g. 3 den Axialschnitt eines zur Ersetzung des in F i g. 2 dargestellten Leiters vorgesehenen Leiters gemäß der Erfindung.

Die F i g. 1 stellt ein Diagramm dar, bei dem auf

mentell bestimmt; sie können jedoch als typisch für einen Leiter in Form eines mit Blenden versehenen Zylinders unabhängig von dessen Abmessungen angesehen werden.

Wenn der Durchmesser den dem Schnittpunkte der Kurven 2 und 3 entsprechenden Wert d₀ überschritten hat, beginnt der Bereich der 2. Harmoni-

des Durchmessers d_min aufweist; diese schneiden die

unerwünschten sich durch die Hohlräume mit Bohrungen von größerem Durchmesser als d_x ausbreitenden Modi ab. Wenn alle Hohlräume des Wellenleiters nach der F i g. 2 verwendet werden, um den neuen Ausbau nach der F i g. 3 zu bilden, bleibt der mittlere Durchmesser der Kopplungsbohrungen entlang des Teilstückös unverändert, so daß die Leistungen des Leiters in bezug auf das Energieniveau unverändert bleiben.

Für einen in dem 3000-MHz-Band arbeitenden Beschleuniger können z. B. für die unterschiedlichen Hohlräume Durchmesser zwischen 83 mm bei einem Lochdurchmesser d_max = 27 mm und 80 mm bei einem Lochdurchmesser d_min =18 mm gewählt werden. Der Stuf enabstand der Hohlräume würde 25 mm betragen. Die die fünfzehn Hohlräume der Teilstücke I und II nach der F i g. 2 umfassende Länge L ist in diesem Fall gleich 375 mm. Die Gesamtheit der Teilstücke I bis V besteht aus vierzig Hohlräumen, deren Verteilung auf die Teilstücke Γ bis V nach der F i g. 3 acht Hohlräume pro Teilstück ergibt. Die Länge eines Teilstückes beträgt also 200 mm. Dieser Wert liegt deutlich unterhalb des oben definierten Wertes L.

Theorie und Erfahrung zeigen, daß die Energie, welche auf dem normalen Modus zugunsten des Modus TM₂₁₀ über die 2. Harmonische der Frequenz der verwendeten Welle in dem Strahlstrom entnommen wird, zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten I', welche zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gruppen von Hohlräumen 5 definiert sind, eine Phasenänderung erfährt, deren Ergebnis die Auslöschung des parasitären Modus am Ende einer bestimmten Strecke ist. Der beschriebene Aufbau wirkt also in der Weise, daß die eingangs erwähnten unerwünschten Auswirkungen beseitigt werden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Geradliniger Teilchenbeschleuniger mit einem Wellenleiter von geometrisch periodischem Aufbau, der aus periodisch entlang des Leiters verteilten Querblenden zusammengesetzt ist, die in ihrer Mitte Bohrungen zur Kopplung der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Blenden vorhandenen Hohlräume aufweisen, dadurchgekennzeichnet, daß sich die Bohrungsgröße wenigstens entlang eines Teiles des Wellenleiters wellenförmig zwischen einem oberhalb der Schwelle der Ausbreitung des Modus TM₂₁₀ in dem Leiter liegenden Maximum und einem Minimum ändert, bei dem die Ausbreitung dieses Modus unterbrochen ist.

2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abmessungen der Hohlräume mit der Größe der Mittelbohrungen in den jeden Hohlraum begrenzenden Blenden nach einem solchen Gesetz ändern, daß die Phasengeschwindigkeit der sich in dem Leiter ausbreitenden Welle mit der Geschwindigkeit der beschleunigten Teilchen synchronisiert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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